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May 29, 2026 · View on GitHub

基于 eBPF 的机器人实时控制
安全监控系统

在 Linux 内核里埋三个探针，无侵入地守护机器人的每一次控制循环
邢栋 · 天津中德应用技术大学机械工程学院 · 2026

项目概述

机器人控制系统的实时性失效是导致安全事故的主要根源——控制周期抖动、串口通信中断、CPU 调度延迟三者构成了"实时性三角"。传统方案（硬件 Watchdog、应用层心跳）要么粒度太粗，要么具有侵入性。

本项目利用 eBPF（Extended Berkeley Packet Filter） 技术，在 Linux 内核中部署三个轻量级探针，实现对机器人控制循环的非侵入式、微秒级、全覆盖安全监控。

核心创新

三个内核探针

探针	Hook 点	监控对象	告警阈值
`loop_monitor`	`kprobe/hrtimer_start`	控制周期抖动	>500μs WARNING >2ms CRITICAL
`serial_monitor`	`kprobe/tty_write` `kprobe/tty_read`	串口通信延迟	读间隔>100ms 停顿
`sched_monitor`	`tracepoint/sched_switch`	ROS2 调度延迟	>10ms WARNING

关键指标

检测延迟 < 100ms（eBPF vs Watchdog 200ms+）
CPU 开销 < 1%（内核态零拷贝 ring buffer）
非侵入 — 零行应用代码修改
部署 — 单二进制 collector，无外部依赖
架构 — Go 采集器 + REST API + Web Dashboard

系统架构

┌──────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    Linux 单板（树莓派 / Jetson / NUC）         │
│                                                              │
│   ┌───────────── Kernel Space ─────────────┐                 │
│   │                                         │                 │
│   │  ┌──────────┐ ┌──────────┐ ┌──────────┐│                 │
│   │  │loop_monitor│ │serial_mon│ │sched_mon ││  ← eBPF 探针  │
│   │  │ hrtimer   │ │ tty_r/w  │ │sched_sw  ││                 │
│   │  └─────┬─────┘ └────┬─────┘ └────┬─────┘│                 │
│   │        │             │            │      │                 │
│   │        └─────────┬───┴────────────┘      │                 │
│   │                  │ Ring Buffer            │                 │
│   └──────────────────┼───────────────────────┘                 │
│                      │                                         │
│   ┌────────────────── User Space ─────────────┐                │
│   │                                           │                │
│   │   Go Collector (libbpf + REST :8090)       │                │
│   │        │          │          │             │                │
│   │   ┌────┴───┐ ┌───┴───┐ ┌───┴──────┐      │                │
│   │   │Web 仪表盘│ │REST API│ │告警推送  │      │                │
│   │   └────────┘ └───────┘ └──────────┘      │                │
│   └───────────────────────────────────────────┘                │
│                                                                 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                    STM32F103（嵌入式 MCU）                        │
│   ┌──────────┐  ┌──────────┐  ┌──────────┐  ┌──────────┐      │
│   │ FreeRTOS  │  │ MPU6050  │  │ PID 控制  │  │ IWDG     │      │
│   │ 4 任务    │  │ 100Hz    │  │ Madgwick  │  │ 硬件看门狗│      │
│   └──────────┘  └──────────┘  └──────────┘  └──────────┘      │
└──────────────────────────────────────────────────────────────────┘

探针详解

1. loop_monitor — 控制周期抖动

Hook 到 hrtimer_start，捕获高精度定时器的实际触发间隔与期望周期的偏差。

控制周期不稳 → PID 输出不准 → 机器人抖动/失稳

2. serial_monitor — 串口通信安全

Hook 到 tty_write / tty_read，监控 Linux SBC ↔ STM32 的 UART 通信健康度。

串口断连 → 传感器数据停滞 → 控制环开环 → 失控

3. sched_monitor — 任务调度延迟

Hook 到 sched_switch tracepoint，监控 ROS2 控制节点被唤醒后等待 CPU 的时间。

CPU 被抢占 → ROS2 节点得不到执行 → 实时性破坏

快速开始（5 分钟）

# 1. 编译探针 + 采集器
cd 设计/软件
make build-bpf
make build-go

# 2. 启动安全监控器（需要 root 权限加载 eBPF）
sudo BPF_DIR=bpf ./bin/collector
# 输出: [collector] Robot Safety Monitor running — API on :8090

# 3. 启动模拟机器人（含故障注入）
python3 ros2/demo_control.py --fault 5

# 4. 打开仪表盘
# 浏览器访问 http://localhost:8090

实验验证

实验	内容	关键发现
故障注入	控制周期抖动检测	eBPF 检测延迟 < 100ms，优于 Watchdog 4.8×
ESTOP 延迟	50 次紧急停止测试	HTTP ESTOP 平均延迟可控
eBPF vs Watchdog	对比实验	eBPF 检测粒度 μs 级，Watchdog ms 级
CPU 开销	perf 性能测试	eBPF 运行时 < 1% CPU 开销
真实机器人	完整系统测试	三路探针协同工作正常

API 接口

端点	说明
`GET /api/summary`	全局安全状态（NOMINAL / WARNING / CRITICAL）
`GET /api/loop`	控制周期抖动事件历史
`GET /api/serial`	串口通信事件历史
`GET /api/sched`	调度延迟事件历史
`GET /api/alerts`	安全告警列表
`GET /`	实时安全仪表盘

技术栈

层	技术
内核探针	C (eBPF) + libbpf + CO-RE + clang/LLVM
数据采集	Go + cilium/ebpf + net/http
前端	HTML5 + Chart.js（实时波形）
控制节点	Python 3 + ROS2
嵌入式	C + FreeRTOS + STM32 HAL + IWDG

_{本项目为大疆创新实习申请作品附件 · DJI Internship Portfolio}

基于 eBPF 的机器人实时控制安全监控系统